吉林化工学院毕业设计说明书 比例 压力给定值r(t) 积分 水泵 用户管网 实际压力c(t) + - 微分 压力变送器 图3.3 PID原理图
PID参数一般按照工艺对控制性能的要求来选择比例常数KP和积分常数Ki。比例常数KP越加大，系统的动作灵敏，速度加快。KP偏大，振荡次数加多，调节时间加长。KP太大时，系统将变得不稳定。KP太小，系统动作趋于缓慢；积分环节Ki通常使系统的稳定性下降。Ki太小，系统不稳定，Ki偏小，振荡次数增加，Ki偏大时，对系统性能的影响减小。当Ki合适时，过渡过程比较合理。微分控制可以改善动态特性。k偏大时，超调量较大，调节时间较长，当k偏小时，超调量也较大，调节时间也较长，只有k合适时，才可以得到比较满意的过渡过程。PID调节过程首先引入比例常数Kp，在系统稳定的情况下，减小稳态误差，提高精度，但是加大KP只能减小稳态误差，不能消除稳态误差。然后引入积分控制Ki，消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。最后引入微分控制,减小系统的超调量，改善系统品质。
3.5 硬件选择
前面已经阐述了恒压供水系统框图，根据系统框图可得知本系统所需硬件框图如下：
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净水厂送水泵房控制系统设计及应用
图3.4 系统硬件框图
从图可知，系统所需的硬件有： 1 PLC，含特殊功能模块A／D，D／A 2 水池液位传感器、管网压力表 3 控制所需低压电器及电气控制柜 4 变频器 5 水泵机组
6 监视、控制上位机 3.5.1 PLC及模块
PLC是系统控制核心器件。它采集系统所有输入信号，包含启停控制信号及系统自动反馈的控制信号，如报警，压力等，并实现对所有动作器件如中间继电器、电磁阎线圈，变频器的控制，同时完成和上位机的数据通讯。
表3-1 plc的选型
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
名称
480mm导轨(模块安装用)
电源模块(5A) CPU315-2DP,256内存
SIMATIC Micro内存卡128KByte(MMC)
开入模块(16点，24VDC) 开出模块(16点，24VDC) 模拟量输入模块(8路,13位精度)
模拟量输出模块(8路)
CP5611通讯卡(上位机ISA插槽)
研华工控机
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订货号
6ES7 390-1AE80-0AA0 6ES7 307-1EA01-0AA0 6ES7 315-2AH14-0AB0 6ES7 953-8LG10-0AA0 6ES7 321-1BH02-0AB0 6ES7 322-1BH01-0AB0 6ES7 331-1KF02-0AB0 6ES7 332-5HF00-0AB0 6GK1 562-1AA0
IPC560 数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
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合理选择适当的PLC是使整个系统性能可靠，控制方便的关键。选择PLC时，首先要选择的是PLC的型号。不同生产厂商的PLC具有不同的技术参数，指令系统也不同。 3.5.2 变频器
变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器应具有通讯功能。现在的变频器一般具有通讯功能及控制软件，可以很方便的用电脑实现控制及对变频器运行状态的监控。外型结构紧凑，安装方便。产品经过多种电气安全规范认证，符合GE、UL及质量认证体系ISO9001和ISO4000。具有这些功能的变频器品牌较多。根据本系统水泵电机功率，系统变频器可选择为三菱FR.F540L.S系列，变频器功率75KW。此变频器采用最佳励磁控制方式，能实现更高节能运行；内置PID；变频器／工频切换功能可以实现多泵循环运行功能。 3.5.3 软启动器
正常情况下，每台电机的启动都是变频启动，这是一种软启动方式，启动电流小，对电网的冲击小，对设备的损害也小。当变频器出现故障时，系统必须通过全工频运行方式保证供水，工频运行控制是保证系统供水的必不可少的部分，但此时不能保证恒压供水。工频控制时，由于电机功率较大，不能采用直接启动方式，必须采用降压启动或软启动。本系统采用软启动器。因此在每个工频回路必须串入软启动器。
3.6系统主电路设计
图3.5系统主电路图
本系统三泵循环变频运行方式的主电路如上图所示。由此图知，M1、M2、M3既可以变频运行，也可以工频运行，但系统始终只有一台水泵电机变频运行，其他水泵根
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据实际需要决定是否工频运行。
三相电源经低压断路器、接触器触点接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的接触器及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器。
主电路中的低压断路器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器。关于工频与变频之间的切换问题在本论文的后面将有简单的介绍。
为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4-20mA电流信号送至上位机来显示。同时可以通过转换开关接电压表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。
初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使断路器或接触器断开)，而必须通过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。
当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。
由于整个系统都采用自动控制，故阀门的开启也采用电磁阀的通断电实现，由PLC实现控制。
3.7 程序设计
3.7.1 PLC I/O分配
PLC的输入输出点数根据系统的控制要求确定。本系统输入信号有开关量信号和模拟量信号，输出也有开关量和模拟量信号。系统分为自动和手动控制，每台电动机有变频和工频运行，在加上对应的指示、报警等信号，因此系统输入输出信号有：
1 PLC输入信号
(1)变频调速恒压供水中为保证供水的不间断性，要求有手动和自动控制方式，当变频器出现故障时，采用手动方式，软启动电机实现工频下供水。手动和自动控制采用选择开关实现，此信号为开关量信号通过两个输入继电器送入PLC。
(2)电接点压力表上下限开关量信号作为PLC控制电机停止及变频与工频转换的
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条件。
(3)变频器故障开关量信号送入PLC作为自动变频运行和全工频运行切换的条件。 (4)水池液位开关信号送入PLC，控制水位过高时，停止进水，水位过低时系统停机，防止电机空转。
表3-2 输入输出信号的地址分配表
符号 1fr 2fr 3fr CONT_C D1 FC105 k1 k2 k3 k4 k5 k6 k7 KM1 my-p1 MY-P2 s1 s10 s11 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 SB1 SB2
地址 Q3.0 Q3.1 Q3.2 FB41 DB1 FC105 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 M0.6 M1.6 Q2.0 FC1 FC2 I2.2 M0.0 M0.1 I0.4 M0.7 I1.5 M1.3 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 I1.0 M1.1
数据类型 BOOL BOOL BOOL FB41 FB41 FC105 BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL FC1 FC2 BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL
注释 1号泵过载 2号泵过载 3号泵过载
PID FB41的背景块 模拟量转化成数字量
1变频启动 1工频启动 2变频启动 2工频启动 3变频启动 低水位报警启动 变频故障启动 变频器接电网
手自动初始化及加减泵程序 PID处理结果和频率的转换
消变频故障 首次2变频 上电1变频 消水池故障 水池低位 变频故障 软自动 2泵工频 1工频2变频停1 1,2工频3变频停1 1,2工频3变频停1,2 手动开始按钮 手动停止按钮
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